具体描述
科学探索与实践：化学分离技术导论 一部深入浅出、覆盖现代化学分离核心原理与应用的权威指南。 --- 绪论：分离的艺术与现代化学的基石 在化学、生物学、材料科学乃至日常生活中，物质的分离与提纯是实现目标产物、确保产品质量、进行准确分析的决定性步骤。本书旨在为所有对分离科学感兴趣的读者，无论是初涉实验室的高年级本科生，还是寻求系统性知识更新的研究人员，提供一个全面且深入的理论与实践框架。 本书将“分离”视为一种跨学科的艺术与工程，它依赖于物质间物理和化学性质的微小差异，通过精妙设计的操作，将混合物拆解为纯净组分。我们将从热力学和动力学的基本原理出发，奠定理解所有分离过程的坚实基础。 第一部分：分离过程的热力学与相平衡 理解驱动力：能量、熵与相态的舞蹈 任何分离过程的效率和可行性都根植于热力学定律。本部分将聚焦于建立分离过程的理论模型。 第一章：混合物与理想溶液的性质 我们首先探讨混合物的基本概念，如摩尔分数、活度和逸度。随后，深入分析理想溶液的形成过程及其热力学驱动力——吉布斯自由能的变化。理解“理想”是建立“非理想”模型的基础。 第二章：气液平衡（VLE）的核心原理 气液平衡是蒸馏、萃取等单元操作的理论核心。本章详细阐述拉乌尔定律（Raoult’s Law）及其修正形式（如亨利定律 Henry’s Law）在描述挥发性和非挥发性溶质行为中的应用。通过绘制平衡曲线和操作线，我们将展示如何预测多组分体系中的相态转变。 第三章：液液平衡（LLE）与溶剂选择 液液分离，特别是液液萃取，是处理热敏性或非挥发性物质的有力工具。本章深入探讨了液液分配系数，分析了三相体系的形成条件，并引入了三角图（Ternary Diagrams）作为可视化工具，指导溶剂的选择和萃取级数的计算。 第四章：固液平衡与结晶热力学 结晶不仅是一种分离手段，也是一种纯化技术。本章从晶体结构、溶解度和过饱和度等角度，系统阐述了控制结晶过程的关键热力学参数，为后续的结晶操作设计提供理论支持。 第二部分：基于质量传递的单元操作 实践的艺术：如何高效地利用接触界面 本部分将理论知识转化为可操作的工程单元。重点在于描述组分如何在相界面之间迁移，以及如何设计设备以最大化这种迁移效率。 第五章：蒸馏：工业分离的支柱 蒸馏是化工和精馏领域应用最广泛的技术。本章细致解析了： 1. 简易蒸馏与分批精馏： 基础原理与操作流程。 2. 连续精馏塔设计： 麦卡布-索维特（McCabe-Thiele）图解法和Fenske-Underwood-Gilliland（FUG）方程组的应用，用于确定理论塔板数和回流比。 3. 特殊蒸馏技术： 真空蒸馏、共沸和萃取精馏在高沸点和共沸物分离中的策略。 第六章：吸收与汽提：气体净化与回收 吸收过程利用液体选择性地溶解气体组分。本章探讨了吸收塔的设计，包括使用希尔肖夫（Gilliland）或邦德拉（Bondera）图来估算吸收的传质速率，以及汽提过程（Stripping）在去除残留溶剂中的应用。 第七章：液液萃取：高效的溶剂化分离 本章将萃取的理论计算与实际操作相结合。我们将重点讨论多级逆流萃取中的物质衡算，并深入分析了萃取设备（如搅拌釜、喷射萃取器）的性能参数和规模放大挑战。 第八章：吸附与离子交换：表面化学的威力 吸附分离基于固体吸附剂表面的选择性吸附能力。本章详细介绍了朗缪尔（Langmuir）和弗罗因德利希（Freundlich）吸附等温线，并分析了固定床吸附塔的设计、再生周期以及离子交换树脂的工作机理及其在水处理和药物分离中的应用。 第三部分：先进与新兴分离技术 突破极限：面向高纯度与复杂体系的解决方案 随着科技发展，对分离的选择性、能耗和操作条件提出了更高的要求，催生了一系列先进技术。 第九章：膜分离技术：渗透压力的驱动 膜分离技术以其低能耗特性正迅速崛起。本章系统梳理了： 1. 微滤（MF）、超滤（UF）、纳滤（NF）和反渗透（RO）： 基于孔径的尺寸排阻机理。 2. 气体分离膜与渗透蒸发（Pervaporation）： 基于溶解度和扩散的机制。 我们将探讨膜污染（Fouling）的控制和膜组件的设计优化。 第十章：色谱分离的精细化调控 色谱法是分析化学和制药工业中不可或缺的工具。本章超越基础概念，深入探讨了高效液相色谱（HPLC）和气相色谱（GC）的分离机制，重点解析了塔板效率、峰形对称性以及制备级色谱（Preparative Chromatography）的放大效应。 第十一章：分子蒸馏与超临界流体萃取（SFE） 对于热敏性或高分子量物质，传统蒸馏不再适用。分子蒸馏利用极短的平均自由程实现分离。同时，超临界流体萃取（常以CO₂为介质）提供了一种环境友好且可调控的选择性分离方法，特别适用于天然产物和药物提取。 结语：分离工程的未来展望 本书的最后一部分将回归工程实践，讨论如何将上述单元操作进行集成，形成高效的集成系统。我们将探讨过程控制、能耗优化、绿色化学原则在分离过程设计中的体现，并展望未来分离科学在可持续发展和生物技术领域的前沿方向。 本书特色： 理论与实践并重： 丰富的工程实例和计算习题，确保读者能将理论应用于实际问题。 严谨的数学推导： 详细展示关键方程的推导过程，增强对物理化学基础的理解。 现代化视角： 覆盖了从传统精馏到前沿膜分离、SFE的完整技术谱系。 本书是化学工程、应用化学、生物技术及相关领域专业人员和学生的理想参考读物。
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